第六章 钢的热处理参考答案

第六章 钢的热处理

习题参考答案

一、解释下列名词

答：

1、奥氏体：碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。

过冷奥氏体：处于临界点A1以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。 残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。 2、珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。

索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。 屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。 贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

3、临界冷却速度VK：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。

4、退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。

正火：将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。

回火：将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。

冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。 时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110～150℃经过6～36小时的人工时效处理，以使组织稳定。

5、调质处理：淬火后再进行的高温回火或淬火加高温回火 6、淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。

淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。

7、回火马氏体：过饱和的α固溶体（铁素体）和与其晶格相联系的ε碳化物组成的混合物。

回火索氏体：在F基体上有粒状均匀分布的渗碳体。 回火屈氏体：F和细小的碳化物所组成的混合物。

8、第一类回火脆性：淬火钢在250℃～400℃间回火时出现的回火脆性。 第二类回火脆性：淬火钢在450℃～650℃间回火时出现的回火脆性。

10、表面淬火：采用快速加热的方法，将工件表层A化后，淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。

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化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。 二、填空题

1、钢的热处理是通过钢在固态下加热 、保温和冷却的操作来改变其组织结构，从而获得所需性能的一种工艺。

2、钢在加热时P→A 的转变过程伴随着铁原子的扩散，因而是属于扩散型相变。 3、钢加热时的各临界温度分别用 AC1 、AC3 和Accm 表示；冷却时的各临界温度分别用

Ar1、Ar3和 Arcm 表示。、

4、加热时，奥氏体的形成速度主要受到温度T、加热速度、原始组织和化学成分的影响。 5、在钢的奥氏体化过程中，钢的含碳量越高，奥氏体化的速度越 快 ，钢中含有合金元素时，奥氏体化的温度要 高 一些，时间要 长 一些。

6、一般结构钢的A晶粒度分为 8 级， 1 级最粗， 8 级最细。按 930℃加热保温 3～8h 后，晶粒度在 1～4级的钢称为本质粗晶粒钢，5～8级的钢称为本质细晶粒钢。

7、珠光体、索氏体、屈氏体均属层片状的 F和 Fe3C的机械混合物，其差别仅在于片层间距大小不同。

8、对于成分相同的钢，粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体硬度、强度高，但塑性、韧性较 好 。

9、影响C曲线的因素主要是化学成分和加热温度、保温时间。

10、根据共析钢相变过程中原子的扩散情况，珠光体转变属 扩散型 转变，贝氏体转变属 半扩散型 转变，马氏体转变属 无扩散型 转变。

11、马氏体的组织形态主要有两种基本类型，一种为板条状 马氏体，是由含碳量 小于0.2% 的母相奥氏体形成，其亚结构是 位错缠结 ； 另一种为片状(或针状) 马氏体，是由含碳量 大于1%的母相奥氏体形成，其亚结构是 孪晶 。

12、上贝氏体的渗碳体分布在成排的铁素体片之间，而下贝氏体的渗碳体较细小，且分布在铁素体针内一定方向， 所以就强韧性而言，B下 比B上 较好 。

13、钢的 C 曲线图实际上是过冷奥氏体的等温转变图，也称 TTT图，而CCT曲线则为 过冷奥氏体的连续冷却转变。

14、过冷奥氏体转变成马氏体，仅仅是 晶格 的改变，而 碳含量 没有改变，所以马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。

15、其他条件相同时，A中的C% 愈高，A→M的Ms温度愈 低 ，A 量也愈 多(或高)。 16、马氏体晶格的正方度( c/a )表示了 ，c/a的值随 而增大。

17、目前生产上，在选择淬火冷却介质时，通常是碳素钢零件淬 水 ，合金钢零件淬 油 。 18、淬火后获得全部M组织的最小冷却速度称为淬火临界冷却速度 Vk。Vk 愈小，钢的

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淬透性愈 好 。

19、钢的淬硬性主要决定于 过冷奥氏体中的含碳量，钢的淬透性主要决定于 化学成分和奥氏体化温度。

20、淬火钢在 150～250℃回火称为 低温 回火；在 100～150℃进行长时间加热(10～50 小时 ), 称为 时效处理，目的是 消除内应力 。

21、通常利用 等温 淬火获得以下贝氏体为主的组织。

22、所谓正火就是将钢件加热至Ac3或 Accm以上30～50℃，保温后在空气中冷却的一种操作。

23、J 是钢淬透性的符号，它表示末端淬透性。 24、 淬火加高温回火称为调质，组织是 回火索氏体。 25、感应加热淬火用钢的含碳量以0.25%～0.6%为宜。 26、化学热处理的基本过程是分解、表面吸收和原子扩散。

27、工件淬火时先在水中冷却一定时间后再放至油中冷却的方法叫做双液淬火。 28、低碳钢渗碳后缓冷到室温的渗层组织，最外层应是P+Fe3C层，中间是 P层，再往里是F+Fe3C层。

29、氮化层厚度一般不超过0.5mm，所以氮化零件留磨量在直径方向不应超过0.2mm。 30、习惯上中温碳氮共渗又称 氰化 ，低温碳氮共渗又称软氮化。 三、简答题

1、钢的热处理操作有哪些基本类型？试说明热处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。

答：⑴热处理包括普通热处理和表面热处理；普通热处理里面包括退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

⑵热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。一个毛坯件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处理，经过精加工，最后装配成为零件。热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。

此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。 2、指出 A1、A3、Acm； AC1、AC3、 Accm ； Ar1、Ar3、Arcm 各临界点的意义。

答：A1：共析转变线，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生，形成P。

A3：奥氏体析出铁素体的开始线。 Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。

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AC1：实际加热时的共析转变线。

AC3：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。 Acm：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。 Ar1：实际冷却时的共析转变线。

Ar3：实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。 Arcm：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。

3、珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？ 答：⑴三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。

⑵ 珠光体是过冷奥氏体在550℃以上等温停留时发生转变，它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体是在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而强度和硬度升高，同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧性和塑性。

4、贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？ 答：⑴两种。上贝氏体和下贝氏体。

⑵上贝氏体的形成温度在600～350℃。在显微镜下呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高，可达HRC40～45，但由于其铁素体片较粗，因此塑性和韧性较差。下贝氏体的形成温度在350℃～Ms，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状，在电镜下观察是由针叶状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性，即具有良好的综合机械性能。

5、何谓等温冷却及连续冷却？试绘出奥氏体这两种冷却方式的示意图。

答：等温冷却：把奥氏体迅速冷却到Ar1以下某一温度保温，待其分解转变完成后，再冷至室温的一种冷却转变方式。

连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变。

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6、为什么要对钢件进行热处理？

答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。

7、试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。

答：首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。

8、淬火临界冷却速度 Vk 的大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？ 答：（1）化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al(>2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。

(2)一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷速高于Vk，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低。只有冷速大于Vk的工件外层部分才能得到马氏体。因此，Vk越小，钢的淬透层越深，淬透性越好。

10、退火的主要目的是什么？生产上常用的退火操作有哪几种？指出退火操作的应用范围。

答：⑴均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，并消除内应力和加工硬化，改善钢的切削加工性能并为随后的淬火作好组织准备。

⑵生产上常用的退火操作有完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。 ⑶完全退火和等温退火用于亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材。有时也用于焊接结构。球化退火主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工的残余内应力。 11、何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？

答：⑴将钢件加热到Ac1以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷。

⑵过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。

12、正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退火？

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答：与退火的区别是①加热温度不同，对于过共析钢退火加热温度在Ac1以上30～50℃而正火加热温度在Accm以上30～50℃。②冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢件尺寸较小时，正火后组织：S，而退火后组织：P。

选择：⑴从切削加工性上考虑

切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。

一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。

⑵从使用性能上考虑

如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。

⑶从经济上考虑

正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。

13、淬火的目的是什么？亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择？试从获得的组织及性能等方面加以说明。

答：淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。

亚共析碳钢淬火加热温度Ac3+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。因为如果亚共析碳钢加热温度在Ac1～Ac3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的强度、硬度降低。但温度不能超过Ac3点过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大马氏体。

过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。如果加热温度超过Accm，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。淬火温度过高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增加。

14、常用的淬火方法有哪几种？说明它们的主要特点及其应用范围。 答：常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和分级淬火法。 单液淬火法：这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。适合于小尺寸且形状简单的工件。

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双液淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温区冷速快和油在低温区冷速慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的冷速，减少组织应力，从而防止工件变形或开裂。适合于尺寸较大、形状复杂的工件。

等温淬火法：它是将加热的工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成B转变。等温淬火后获得B下组织。下贝氏体与回火马氏体相比，在碳量相近，硬度相当的情况下，前者比后者具有较高的塑性与韧性，适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。

分级淬火法：它是将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温2～5min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。这种方法可以减少工件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却速度，从而有效地减少内应力，防止产生变形和开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低，只能适用于零件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。

15、为什么工件经淬火后往往会产生变形，有的甚至开裂？减小变形及防止开裂有哪些途径？

答：淬火中变形与开裂的主要原因是由于淬火时形成内应力。淬火内应力形成的原因不同可分热应力与组织应力两种。

工件在加热和(或)冷却时由于不同部位存在着温度差别而导致热胀和(或)冷缩不一致所引起的应力称为热应力。热应力引起工件变形特点时：使平面边为凸面，直角边钝角，长的方向变短，短的方向增长，一句话，使工件趋于球形。

钢中奥氏体比体积最小，奥氏体转变为其它各种组织时比体积都会增大，使钢的体积膨胀；工件淬火时各部位马氏体转变先后不一致，因而体积膨胀不均匀。这种由于热处理过程中各部位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力，称为相变应力(组织应力)。组织应力引起工件变形的特点却与此相反：使平面变为凹面，直角变为钝角，长的方向变长；短的方向缩短，一句话，使尖角趋向于突出。

工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就产生开裂。为减小变形或开裂，出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取下列措施：

⑴采用合理的锻造与预先热处理

锻造可使网状、带状及不均匀的碳化物呈弥散均匀分布。淬火前应进行预备热处理(如球化退火与正火)，不但可为淬火作好组织准备，而且还可消除工件在前面加工过程中产生的内应力。

⑵采用合理的淬火工艺；

正确确定加热温度与加热时间，可避免奥氏体晶粒粗化。对形状复杂或导热性差的高合

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金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力。工件在加热炉中安放时,要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；选择合适的淬火冷却介质和洋火方法(如马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火),以减少冷却中热应力和相变应力等。

⑶淬火后及时回火

淬火内应力如不及时通过回火来消除，对某些形状复杂的或碳的质量分数较高的工件，在等待回火期间就会发生变形与开裂。

⑷对于淬火易开裂的部分，如键槽，孔眼等用石棉堵塞。

16、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因素有哪些？影响钢制零件淬硬层深度的因素有哪些？

答：淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。不同的钢在同样的条件下淬硬层深不同，说明不同的钢淬透性不同，淬硬层较深的钢淬透性较好。淬硬性：是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。

影响淬透性的因素： ⑴化学成分

C曲线距纵坐标愈远，淬火的临界冷却速度愈小，则钢的淬透性愈好。对于碳钢，钢中含碳量愈接近共析成分，其C曲线愈靠右，临界冷却速度愈小，则淬透性愈好，即亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大，过共析钢的淬透性随含碳量增加而减小。除Co和Al（＞2.5%）以外的大多数合金元素都使C曲线右移，使钢的淬透性增加，因此合金钢的淬透性比碳钢好。

⑵奥氏体化温度

温度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。

17、钢的淬硬层深度通常是怎规定的？用什么方法测定结构钢的淬透性？怎样表示钢的淬透性值。

答：为了便于比较各种钢的淬透性，常利用临界直径Dc来表示钢获得淬硬层深度的能力。所谓临界直径就是指圆柱形钢棒加热后在一定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。

对同一种钢Dc油＜Dc水，因为油的冷却能力比水低。目前国内外都普遍采用“末端淬火法”测定钢的淬透性曲线，比较不同钢的淬透性。

“末端淬火法”——国家规定试样尺寸为φ25×100mm；水柱自由高度65mm；此外应注意加热过程中防止氧化，脱碳。将钢加热奥氏体化后，迅速喷水冷却。显然，在喷水端冷却速度最大，沿试样轴向的冷却速度逐渐减小。据此，末端组织应为马氏体，硬度最高，随距水冷端距离的加大，组织和硬度也相应变化，将硬度随水冷端距离的变化绘成曲线称为淬透性曲线。

不同钢种有不同的淬透性曲线，工业上用钢的淬透性曲线几乎都已测定，并已汇集成册可查阅参考。由淬透性曲线就可比较出不同钢的淬透性大小。

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此外对于同一种钢，因冶炼炉冷不同，其化学成分会在一个限定的范围内波动，对淬透性有一定的影响，因此钢的淬透性曲线并不是一条线，而是一条带，即表现出“淬透性带”。钢的成分波动愈小，淬透性带愈窄，其性能愈稳定，因此淬透性带愈窄愈好。

18、回火的目的是什么？常用的回火操作有哪几种？指出各种回火操作得到的组织、性能及其应用范围。

答：回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。

常用的回火操作有低温回火、中温回火、高温回火。

低温回火得到的组织是回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC 58-64。

中温回火后的组织为回火屈氏体，硬度HRC35-45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC 25-35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。

19、指出下列组织的主要区别： ⑴ 索氏体与回火索氏体； ⑵ 屈氏体与回火屈氏体； ⑶ 马氏体与回火马氏体。

答：由奥氏体冷却转变而成的屈氏体(淬火屈氏体)和索氏体(淬火索氏体)组织,与由马氏体分解所得到的回火屈氏体和回火索氏体组织有很大的区别,主要是碳化物的形态不同。由奥氏体直接分解的屈氏体及索氏体中的碳化物是片状的,而由马氏体分解的回火屈氏体与回火索氏体中碳化物是颗粒状的。回火索氏体和回火屈氏体相对于索氏体与屈氏体其塑性和韧性较好。马氏体（M）是由A 直接转变成碳在α—Fe中过饱和固溶体。回火马氏体是过饱和的α固溶体（铁素体）和与其晶格相联系的ε碳化物所组成，其淬火内应力和脆性得到降低。

20、表面淬火的目的是什么？常用的表面淬火方法有哪几种？比较它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热处理。

答：表面淬火的目的是使工件表层得到强化，使它具有较高的强度，硬度，耐磨性及疲劳极限，而心部为了能承受冲击载荷的作用，仍应保持足够的塑性与韧性。

常用的表面淬火方法有：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

感应加热表面淬火是把工件放入有空心铜管绕成的感应器（线圈）内，当线圈通入交变电流后，立即产生交变磁场，在工件内形成“涡流”，表层迅速被加热到淬火温度时而心

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部仍接近室温，在立即喷水冷却后，就达到表面淬火的目的。

火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。将工件快速加热到淬火温度，在随后喷水冷却后，获得所需的表层硬度和淬硬层硬度。

感应加热表面淬火与火焰加热淬火相比较有如下特点:

⑴感应加热速度极快,只要几秒到几十秒的时间就可以把工件加热至淬火温度,:而且淬火加热温度高(AC3以上80~150℃)。

⑵因加热时间短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可在表面层获得极细马氏体,使工件表面层较一般淬火硬度高2~3HRC,且脆性较低。

⑶感应加热表面淬火后,淬硬层中存在很大残余压应力,有效地提高了工件的疲劳强,且变形小,不易氧化与脱碳。

⑷生产率高,便于机械化、自动化,适宜于大批量生产。

但感应加热设备比火焰加热淬火费用较贵,维修调整比较困难,形状复杂的线圈不易制造表面淬火前应采用退火或正火预先热处理。

21、化学热处理包括哪几个基本过程？常用的化学热处理方法有哪几种？

答：化学热处理是把钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。

化学热处理的过程：

⑴分解：化学介质要首先分解出具有活性的原子； ⑵吸收：工件表面吸收活性原子而形成固溶体或化合物；

⑶扩散：被工件吸收的活性原子，从表面想内扩散形成一定厚度的扩散层。 常用的化学热处理方法有：渗碳、氮化、碳氮共渗、氮碳共渗。 22、试述一般渗碳件的工艺路线，并说明其技术条件的标注方法。 答：一般渗碳件的工艺路线为：

下料→锻造→正火→切削加工→渡铜（不渗碳部位）→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→精磨→成品

23、氮化的主要目的是什么？说明氮化的主要特点及应用范围。

答：在一定温度(一般在AC1以下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。氮化的主要特点为：

⑴工件经渗氮后表面形成一层极硬的合金氮化物(如CrN、MoN、AIN等)，渗氮层的硬度一般可达950～1200HV(相当于68-72HRC)，且渗氮层具有高的红硬性(即在600～650℃仍有较高硬度)。

⑵工件经渗氮后渗氮层体积增大，造成表面压应力，使疲劳强度显著提高。 ⑶渗氮层的致密性和化学稳定性均很高，因此渗氮工件具有高的耐蚀性。

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⑷渗温度低,渗氮后又不再进行热处理，所以工件变形小,一般只需精磨或研磨、抛光即可。

渗氮主要用于要求耐磨性和精密度很高的各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴(如锺轴、磨床主轴)、分配式液压泵转子，交变载荷作用下要求疲劳强度高的零件(高速柴油机曲轴)，以及要求变形小和具有一定耐热、抗蚀能力的耐磨零件(阀门)等。

24、试说明表面淬火、渗碳、氮化热处理工艺在用钢、性能、应用范围等方面的差别。 答：表面淬火一般适用于中碳钢（0.4～0.5%C）和中碳低合金钢（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢以及球墨铸铁等。它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。应用范围：

⑴高频感应加热表面淬火应用于中小模数齿轮、小型轴的表面淬火。

⑵中频感应加热表面淬火主要用于承受较大载荷和磨损的零件，例如大模数齿轮、尺寸较大的曲轴和凸轮轴等。

⑶工频感应加热表面淬火工频感应加热主要用于大直径钢材穿透加热和要求淬硬深度深的大直径零件，例如火车车轮、轧辘等的表面淬火。

渗碳钢都是含0.15～0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。渗碳层深度一般都在0.5～2.5mm。

钢渗碳后表面层的碳量可达到0.8～1.1%C范围。渗碳件渗碳后缓冷到室温的组织接近于铁碳相图所反映的平衡组织，从表层到心部依次是过共析组织，共析组织，亚共析过渡层，心部原始组织。

渗碳主要用于表面受严重磨损，并在较大的冲载荷下工作的零件（受较大接触应力）如齿轮、轴类、套角等。

氮化用钢通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的钢，如38CrMoAlA是一种比较典型的氮化钢，此外还有35CrMo、18CrNiW等也经常作为氮化钢。与渗碳相比、氮化工件具有以下特点：

⑴氮化前需经调质处理，以便使心部组织具有较高的强度和韧性。 ⑵表面硬度可达HRC65～72，具有较高的耐磨性。

⑶氮化表面形成致密氮化物组成的连续薄膜，具有一定的耐腐蚀性。 ⑷氮化处理温度低，渗氮后不需再进行其它热处理。

氮化处理适用于耐磨性和精度都要求较高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件。如：发动机的汽缸、排气阀、高精度传动齿轮等。

25、钢获得马氏体组织的条件是什么？与钢的珠光体相变及贝氏体相变比较，马氏体相变有何特点？

答：钢获得马氏体组织的条件是：钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而发生无扩散型的相变。

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马氏体相变的特点为：

(1)无扩散性。钢在马氏体转变前后，组织中固溶的碳浓度没有变化，马氏体和奥氏体中固溶的碳量一致,仅发生晶格改变，因而马氏体的转变速度极快。

(2)有共格位向关系。马氏体形成时，马氏体和奥氏体相界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，称这种关系为共格关系。

(3)在通常情况下，过冷奥氏体向马氏体转变开始后，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止。

26、说明共析钢 C 曲线各个区，各条线的物理意义，并指出影响 C 曲线形状和位置的主要因素。

答：过冷奥氏体等温转变曲线说明：

⑴由过冷奥氏体开始转变点连接起来的曲线称为转变开始线；由转变终了点连接起来的曲线称为转变终了线。A 1线以右转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区；A1线以下，转变终了线以右和Ms点以上的区域为转变产物区；在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。

⑵过冷奥氏体在各个温度等温转变时，都要经过一段孕育期（它以转变开始线与纵坐标之间的水平距离来表示）。对共析碳钢来说，转变开始线在550℃出现拐弯，该处被称为C曲线的鼻尖，它所对应的温度称为鼻温。

⑶共析碳钢的过冷奥氏体在三个不同温度区间，可发生三种不同的转变：在C曲线鼻尖以上部分,即A1～550℃之间过冷奥氏体发生珠光体转变，转变产物是珠光体，故又称珠光体转变；在C曲线鼻尖以下部分，即550℃～Ms之间，过冷奥氏体发生贝氏体转变，转变产物是贝氏体，故又称贝氏体转变；在Ms点以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，转变产物是马氏体，故又称马氏体转变。

亚共析和过共析钢的等温转变C曲线，与共析钢的不同是，亚共析钢的C曲线上多一条代表析出铁素体的线。过共析钢的C曲线上多一条代表二次渗碳体的析出线。

影响 C 曲线形状和位置的主要因素有：

凡是提高奥氏体稳定性的因素，都使孕育期延长，转变减慢，因而使C曲线右移。反之，使C曲线左移。碳钢c曲线的位置与钢的含碳量有关，在亚共析钢中，随着含碳量的增加，钢的C曲线位置右移。在过共析钢中，随着含碳量的增加，C曲线又向左移。除此之外，钢的奥氏体化温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大，则C曲线的位置愈右移。

四、选择题

1、共析钢加热到Ac1以上时, 将发生( C )的转变。 A、F→A； B、Fe3C→A； C、P→A； 2、钢的过冷A向B转变时( B )。

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A、Fe、C原子都不扩散； B、Fe原子不扩散, C原子扩散； C、Fe、C原子都扩散。 3、钢的( A )直接影响钢的性能。

A、实际晶粒度； B、起始晶粒度； C、本质晶粒度 4、确定碳钢淬火加热温度的基本依据是( A )。

A、Fe-Fe3C相图； B、“C”曲线图； C、淬透性曲线图 5、A3、Ac3、Ar3三者之间的关系是( B )。

A、A3 = Ac3 = Ar3； B、Ac3 > A3 > Ar3 ； C、Ac3 < A3

A、V粗片P > V细片P > V球状P； B、V粗片P < V细片P < V球状P； C、V细片P > V粗片P > V球状P 7、过共析钢加热到A1～Acm之间时，( A )。 A、奥氏体的含碳量小于钢的含碳量； B、奥氏体的含碳量大于钢的含碳量； C、奥氏体的含碳量等于钢的含碳量

8、亚共析钢加热到A1～A3之间时，奥氏体的含碳量( C )钢的含碳量。 A、小于； B、大于； C、等于

9、在过冷奥氏体等温转变图的“鼻子”处孕育期最短，故( C )。 A、过冷奥氏体稳定性最好，转变速度最快； B、过冷奥氏体稳定性最好，转变速度最慢； C、过冷奥氏体稳定性最差，转变速度最快； D、过冷奥氏体稳定性最差，转变速度最慢。 10、钢进行奥氏体化的温度愈高，保温时间愈长，则( B )。 A、过冷奥氏体愈稳定，C曲线愈靠左； B、过冷奥氏体愈稳定，C曲线愈靠右； C、过冷奥氏体愈不稳定，C曲线愈靠左； 11、马氏体的硬度主要取决于( A )。

A、马氏体的含碳量； B、马氏体含合金元素量； C、冷却速度； D、奥氏体的晶粒度

12、回火索氏体比索氏体具有较好的δ、ψ、aK，是由于( C )所致。 A、F的过饱和程度不同；

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B、碳化物片层间距不同； C、碳化物形态不同

13、上贝氏体和下贝氏体的力学性能相比，( B )。 A、上贝氏体具有较高强度和韧性； B、下贝氏体具有较高强度和韧性； C、两者均具有较高强度和韧性

14、最常用的淬火冷却介质是清水、盐水和油，其冷却能力大小依次为：( B )。

A、V清水 > V盐水 > V油； B、V盐水 > V清水 > V油； C、 V油 > V清水 > V盐水； D、V油 > V盐水 > V清水 15、为了消除残余奥氏体，保证精密工件尺寸长期稳定性，应采用( A )。

A、冷处理； B、调质处理； C、时效处理

16、原始组织为片层状珠光体加二次渗碳体的过共析钢在球化退火时，使( C )发生了球化而获得球状珠光体。

A、二次渗碳体；B、二次渗碳体及铁素体；C、二次渗碳体及片层状渗碳体。 17、淬火钢回火时，力学性能变化的总趋势是随着回火温度升高，( B )。

A、强度硬度升高，塑性和韧性降低； B、强度硬度降低，塑性和韧性升高； C、强度硬度升高，塑性和韧性升高。 18、关于CCT曲线，错误的说法是( D )。

A、从CCT曲线可以获得钢的临界淬火速度；B、CCT曲线是制定钢的冷却规范的

依据；

C、根据CCT曲线可以估计淬火后钢件的组织和性能； D、CCT曲线是制订热处理加热规范的依据。

19、若回火产物是在α相 ( 铁素体 ) 基体中分布着微小的粒状碳化物，α相已经回复，但尚未再结晶，故仍具有马氏体的针状特征，这种组织称( A )。

A、回火马氏体； B、回火屈氏体； C、回火索氏体 20、感应加热表面淬火的硬化层深度主要取决于( D )。

A、钢的含碳量； B、钢的淬透性； C、淬火介质的冷却能力； D、感应电流

的频率。

21、一模数4的齿轮，为获得1.5mm深并沿齿廓分布的硬化层，应采用( B )热处理方法。

A、感应加热表面淬火； B、渗碳淬火； C、氮化

22、若渗碳件渗层出现网状碳化物，则渗碳后的热处理宜采用( C )十淬火十低温回火。

A、完全退火； B、球化退火； C、正火 23、在常用的表面热处理方式中，( C )处理变形最小。

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A、感应加热表面淬火； B、渗碳； C、氮化 24、钢的晶粒大小，主要取决于( A )。

A、奥氏体化的温度； B、奥氏体化后的冷却速度； C、奥氏体成分的均匀

程度

25、质量一定的奥氏体转变为马氏体，其体积( A )。

A、胀大； B、缩小； C、不变

26、某零件调质处理后硬度偏低，补救的方法是( A )。

A、重新淬火后，选用低一点温度回火；B、再一次回火，回火温度降低一点； C、再一次回火，回火温度提高一点 27、淬火钢回火后的硬度主要取决于( A )。

A、回火加热温度； B、回火时间； C、回火后的冷却 28、实际工件的( C )与工件的尺寸及淬火介质的冷却能力等因素有关。

A、淬透性； B、淬硬性； C、淬透层深度

五、判断题

( × ) 1、奥氏体的形成速度随其含碳量增加而降低。 ( × ) 2、奥氏体化温度越高，奥氏体越稳定。

( √ ) 3、与亚共析钢、共析钢比较，过共析钢C曲线鼻子最靠右，其过冷奥氏体最稳定。

( × ) 4、钢的实际晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度。

( × ) 5、过冷奥氏体转变时，珠光体、贝氏体、马氏体的形成都是形核和长大的过程。 ( × ) 6、冷却时，过冷奥氏体的转变速度随过冷度的增大而不断加快。 ( × ) 7、马氏体相变时，其母相奥氏体含碳量愈高，Ms和Mf 点愈高。 ( √ ) 8、高碳马氏体的晶体结构属体心正方。

( × ) 9、在Ms下某温度充分保温，可使A 最大限度地转变成M。

( × ) 10、过冷奥氏体连续冷却转变的孕育期比等温转变时长，转变温度也低。 ( × ) 11、去应力退火是通过组织变化达到细化晶粒而消除残余内应力的一种热处理方法。

( × ) 12、在实际淬火操作，凡用淬透性较高的钢制造的零件，无论尺寸大小，其淬硬层深度都一定是较大的。

( × ) 13、为了获得良好的焊接性，焊接构件用钢应选用含碳量较低并同时含有尽可能多的提高淬透性的合金元素的钢。

( √ ) 14、钢的淬透性主要取决于钢的化学成分和奥氏体化条件，而不考虑工件尺寸和冷却介质的影响。

( × ) 15、过共析钢淬火温度愈高，奥氏体含碳量越高，则淬火后硬度越高。

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( × ) 16、加热温度不超过Ac1的热处理操作统称回火。

( × ) 17、同一钢种水淬时比油淬时的淬透性好，小件淬火时比大件淬火时淬透性好。 ( √ ) 18、零件淬火后必定要回火。

( √ ) 19、对于大尺寸的中碳钢工件，可用正火代替调质。

( × ) 20、在淬火马氏体的回火过程中，硬度随回火温度的升高而不断降低；冲击韧性随回火温度的升高而不断提高。

( √ ) 21、感应加热表面淬火时，由于加热速度很快，致使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高, 转变所需时间缩短，因此可获细小的奥氏体晶粒，淬火后的马氏体也是极细的隐晶马氏体。

( × ) 22、渗碳是通过活性碳原子溶入高温铁素体中，而后向钢的内部扩散来实现的。 ( √ ) 23、齿轮渗碳时，模数大的齿轮，其渗碳层厚度应小一些，以提高抗冲击能力。 ( √ ) 24、钢在氮化后，无需淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。 ( × ) 25、感应加热通常采用淬透性高的合金钢。 ( √ ) 26、中温碳氮共渗热处理又称氰化。

( × ) 27、过共析钢组织中的网状二次渗碳体可用完全退火方法消除。

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( × ) 16、加热温度不超过Ac1的热处理操作统称回火。

( × ) 17、同一钢种水淬时比油淬时的淬透性好，小件淬火时比大件淬火时淬透性好。 ( √ ) 18、零件淬火后必定要回火。

( √ ) 19、对于大尺寸的中碳钢工件，可用正火代替调质。

( × ) 20、在淬火马氏体的回火过程中，硬度随回火温度的升高而不断降低；冲击韧性随回火温度的升高而不断提高。

( √ ) 21、感应加热表面淬火时，由于加热速度很快，致使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高, 转变所需时间缩短，因此可获细小的奥氏体晶粒，淬火后的马氏体也是极细的隐晶马氏体。

( × ) 22、渗碳是通过活性碳原子溶入高温铁素体中，而后向钢的内部扩散来实现的。 ( √ ) 23、齿轮渗碳时，模数大的齿轮，其渗碳层厚度应小一些，以提高抗冲击能力。 ( √ ) 24、钢在氮化后，无需淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。 ( × ) 25、感应加热通常采用淬透性高的合金钢。 ( √ ) 26、中温碳氮共渗热处理又称氰化。

( × ) 27、过共析钢组织中的网状二次渗碳体可用完全退火方法消除。

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